光譜相機(jī)包括高光譜相機(jī)和多光譜相機(jī)，高光譜相機(jī)會(huì)記錄超過(guò)100 個(gè)波段，而多光譜相機(jī)記錄的波段則要少一些。那么，高光譜相機(jī)和多光譜相機(jī)還有有哪些區(qū)別？如何選購(gòu)光譜相機(jī)呢？本文進(jìn)行了簡(jiǎn)單總結(jié)。

?

高光譜相機(jī)和多光譜相機(jī)的區(qū)別

1.?數(shù)據(jù)差異

高光譜成像涉及捕獲和分析來(lái)自電磁波譜中大量狹窄、連續(xù)波段的數(shù)據(jù)，從而為圖像中的每個(gè)像素生成高分辨率光譜。因此，高光譜相機(jī)可以提供平滑的光譜。多光譜相機(jī)提供的光譜呈現(xiàn)出階梯狀或鋸齒狀，無(wú)法精確地描繪光譜特征。

光譜成像提供的數(shù)據(jù)比多光譜成像更詳細(xì)，因此可以更具體地分析并更準(zhǔn)確地識(shí)別各種材料和物質(zhì)。由于光譜分辨率有限，多光譜成像可能無(wú)法區(qū)分密切相關(guān)的材料。

對(duì)于市場(chǎng)上的大多數(shù)多光譜相機(jī)，光譜范圍限制在 400 – 1000 nm 范圍內(nèi)，典型的波段數(shù)量在 4 – 5 個(gè)之間。這些限制對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)都具有重要影響。

為了說(shuō)明高光譜相機(jī)相較于多光譜相機(jī)的優(yōu)勢(shì)，我們研究了從杏仁中分選出杏仁殼的過(guò)程。這是一個(gè)典型的應(yīng)用，需要高度準(zhǔn)確地識(shí)別外觀非常相似的不同材料。

2.?光譜范圍差異

反射、吸收和發(fā)射特征形成的光譜與待測(cè)材料的分子組成密切相關(guān)。表1非常有名，大部分物質(zhì)分子鍵都有共振頻率帶來(lái)的光譜指紋（光譜共振頻率）。

?

?

?

如表中所示，許多應(yīng)用都需要700– 2500nm的光譜范圍。特別是對(duì)于那些與食品質(zhì)量評(píng)估和塑料分選相關(guān)的應(yīng)用，1100 –1700nm的光譜范圍是必不可少的。限制在400–1000nm范圍內(nèi)的多光譜相機(jī)不適用于這些應(yīng)用。

關(guān)于高光譜成像與RGB相機(jī)對(duì)比的文章表明了，RGB 相機(jī)在分選堅(jiān)果和開心果時(shí)表現(xiàn)不佳。高光譜相機(jī)的表現(xiàn)較好。

3.?波段數(shù)量差異

考慮到前一點(diǎn)，使用高光譜相機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)杏仁和杏仁殼進(jìn)行比較，在第一個(gè)數(shù)據(jù)集中涵蓋了900–1700nm 的光譜范圍并記錄了224 個(gè)波段。在第二個(gè)數(shù)據(jù)集中，僅使用了28個(gè)合并波段（即合并連續(xù)的光譜波段）來(lái)模擬多光譜相機(jī)。

如圖1和圖2所示，相較于僅用28個(gè)波段描繪的光譜，與224個(gè)波段數(shù)據(jù)集相關(guān)的光譜要平滑得多。在高光譜數(shù)據(jù)中，還可以捕捉到微小但至關(guān)重要的光譜差異，以便能夠?qū)⑿尤逝c杏仁殼分開。

換句話說(shuō)，由于捕獲的波段數(shù)量限制為28，因此區(qū)分杏仁和杏仁殼所需的光譜信息丟失了。

?

?

?

?

此外，一些預(yù)處理方法也不適用于多光譜數(shù)據(jù)。例如，Savitzky-Golay等導(dǎo)數(shù)或平滑算法需要連續(xù)光譜才能表現(xiàn)良好，而多光譜傳感器無(wú)法提供連續(xù)光譜。

如上所述，通過(guò)構(gòu)建兩個(gè)模型來(lái)說(shuō)明與能否準(zhǔn)確地描繪光譜特征相關(guān)的這些要點(diǎn)，覆蓋224個(gè)波段的高光譜模型要比僅覆蓋28個(gè)波段的多光譜模型更準(zhǔn)確。在高光譜數(shù)據(jù)中，邊緣效應(yīng)消失了，甚至可以對(duì)最小的杏仁殼碎片進(jìn)行正確分類。

?

?

?

本研究選擇了28個(gè)光譜波段來(lái)模擬多光譜相機(jī)。不過(guò)，典型多光譜相機(jī)涵蓋的光譜波段明顯更少，這進(jìn)一步降低了它們描繪精細(xì)光譜特征的能力。

?

?

?

如何選購(gòu)光譜相機(jī)？

選購(gòu)光譜相機(jī)，也就是選選擇高光譜成像技術(shù)和多光譜成像技術(shù)，都在各種研究、工業(yè)和遙感應(yīng)用中廣泛用于捕獲和分析電磁波譜。這兩種技術(shù)彼此互補(bǔ)，具體如何選擇取決于應(yīng)用要求和現(xiàn)有數(shù)據(jù)的級(jí)別。

如果應(yīng)用需要涵蓋的光譜波段較多，所需的光譜分辨率也較高，超出了多光譜成像技術(shù)的能力范圍，那么解決方案自然就是高光譜相機(jī)。

如果應(yīng)用不需要涵蓋整個(gè)光譜范圍，則涵蓋特定波段的定制多光譜相機(jī)可以與高光譜相機(jī)一樣表現(xiàn)出色。但是，這需要用戶知道檢查或分析時(shí)必須涵蓋的選定光譜波段數(shù)量。如果用戶不知道應(yīng)用的光譜要求或它們非常復(fù)雜，則最好使用高光譜相機(jī)來(lái)收集分析數(shù)據(jù)。

高光譜相機(jī)還提供了更大的靈活性，讓用戶可以在之后對(duì)機(jī)器進(jìn)行升級(jí)，以便分選新的雜物或材料。使用賽斯拜克相機(jī)時(shí)，用戶可以自由選擇相關(guān)波段。實(shí)際上，賽斯拜克高光譜相機(jī)可以轉(zhuǎn)換為多光譜相機(jī)，而多光譜相機(jī)永遠(yuǎn)無(wú)法變成高光譜相機(jī)。

最后，在高光譜相機(jī)和多光譜相機(jī)之間進(jìn)行選擇時(shí)，還要考慮的一個(gè)方面是價(jià)格。通常，與多光譜相機(jī)相比，高光譜相機(jī)價(jià)格更高，所需的處理能力也更多。不過(guò)，情況也并非總是如此，尤其是當(dāng)需要為多光譜相機(jī)定制較多數(shù)量的波段時(shí)。

?

?